摘要：STEM指的是包含科学、技术、工程以及数学的学科，通过引入STEM教育理念，能够创设合适的教学情境，采取具有吸引力的问题，解决高中数学学习中存在的问题，在学科教学的过程中整合学科资源，体现学科价值。本文首先阐述了STEM教学的理念，分析如何在高中数学教学模式下，设计全新的教学项目活动，旨在培养学生的STEM素养和跨学科能力。
关键词：STEM教育；高中数学；学科核心素养；教学设计
引言
2017年6月，我国教育科学研究院起草了《中国STEM教育白皮书》，正式启动了“中国STEM教育2029创新行动计划”，并提出：“把STEM加列入到国家创新型人才培养战略中，打造一体化的STEM创新生态体系”。2018年1月，国家教育部颁布了《普通高中数学课程标准（2017年版）》，强调关注信息化环境下的教学改革，关注学生个性化、多样化的学习和发展需求，促进人才培养模式的转变，着力发展学生的核心素养。而数学作为STEM教育中的重要课程，对于培养学生的必备品格和关键能力至关重要，尤其是STEM教育作为一种全新的教育形态，其教育理念切合教育改革趋势，有助于提升学生的核心素养。正如我国数学教育家张奠宙教授所言：“学习数学不仅是为了提高逻辑推理能力，应该更加注重培养思维创造能力”。
一、STEM的教育理念
STEM教育是科学、技术、工程和数学领域教育的简称，是一门用工程思维方式来解决现实社会中遇到各类问题的教学理念，它强调知识融合、场景多元、问题生成、创新发展的理念，既体现出课程的多样化、综合化、场景化的特征，又追求课程应回归生活、解决生活问题的本质诉求。在高中数学教学阶段，STEM教育倡导多学科联合的“项目式学习”方式，提倡引入真实的问题情境，以小组合作的方式，使学生相互之间沟通各自的思想，促使学生思维的碰撞，最终形成创造性的观念，推进学生找到正确的学习方向，增强学生STEM素养和跨学科能力。
二、基于STEM高中数学教学活动的设计
（一）教学活动整体思路。STEM教学活动其中最重要的就是培育学生的团队的合作意识，增强学生的创新思维能力。因此，基于STEM教育理念的教学活动设计需要应用协同教学理念，整合即将要学习的数学知识内容，根据高中数学课程的目的设计科学的教学活动，并将其他学科内容渗透到所设计的教学活动之中。首先，针对高中课程教学需要解决的问题，STEM教育强调需要引入客观真实的问题情境，所以在问题的选择上需要结合实例，注重情境的真实性，激发学生参与活动的兴趣和积极性，让学生真正有体验和参与感；其次，针对教师无法合理安排课程结构的问题，STEM教育指出教师要转变传统观念，以学生为教学的中心，通过课堂的有效设计，科学安排教学的活动内容，让学生有足够的时间去思考和探索，并和其他学生进行相互交流，通过合作互助的形式，达到学习的共同进步。最后，针对活动评价方式解决的问题，以往教学的评价方式主要以分数为主，在STEM理念教学下，课堂摒弃以考试作为学习效果的评价方式，通过学生对学习合作的贡献，动态观察学生课堂的表现，根据采用问卷调查法和访谈法的方式，以学生和教师作为研究对象，进而对学生的学习过程进行综合评价。
（二）教学活动设计框架1．确定项目主题。核心素养能力的培养并非一朝一夕之功，需要在培养过程中通过实践来判断学生素养的形成与能力的变化。因此，在STEM理念下的高中数学课程设计流程，教师需要确定项目主题、设计解决方案，依据所学知识与跨学科的内容，找到教学的结合点，形成简单直接的教学设计结构框架，本次教学活动选择“杰尼西亚的耳朵”作为项目主题，这是物理与数学的跨学科结合，符合高中生年龄特点和认知水平，既能激发学习数学的兴趣，又能够促进学生知识建构和能力提升。2．确定教学目的。“杰尼西亚的耳朵”项目设计旨在通过教学，了解声音反射的应用，运用跨学科的物理知识来解决数学实际问题，让学生体会到数学在生活中的重要作用，掌握椭圆定义、标准方程的应用，了解并引导学生证明椭圆的光学性质：从椭圆的一个焦点发出的光线经过椭圆反射后，反射光线交于椭圆的另一个焦点上，使学生认识到数学教学是对现实世界的一种思考和解释，其目的用来解释现实世界中的认知规律。3．设计教学方案。“问题链”是指在数学课堂教学中，教师根据课程的教学目标，把教学内容设计成问题的形式开展教学。为完成既定的教学目标和教学课题之后，应该进一步撰写教学设计，制定具体实施的教学方案，并对整个课题的实行进行归纳和整理。本文陈述的STEM教育理念的教学，需要通过教学活动的安排将不同学科结合起来，让学生理解物理与数学学科之间的联系，增强学生对不同科目的理解力。“杰尼西亚的耳朵”涉及数学、物理学科内容，教学活动要围绕让学生掌握椭圆的光学原理、声音反射等知识，促进跨学科知识融合，教学活动的实施过程设计如下环节：引出“杰尼西亚的耳朵”问题情境→指导学生开展小组讨论→小组反馈分析问题的成因→引导出椭圆数学知识→进行课外拓展→开展教学综合评价。
（三）教学活动实施过程1．问题情境引入。教师首先带领学生了解“杰尼西亚的耳朵”的故事，通过问题引导：“为什么杰尼西亚会知道囚犯逃跑的方案”，由此引起学生的兴趣，引发学生的思考，激发学生继续探寻真理的欲望。然后，向学生叙述故事的背景，相传，在意大利的西西里岛有一个山洞，暴君杰尼西亚为防止囚犯逃跑，把囚犯关押在这个山洞之中。囚犯们曾经多次研究逃跑的路线，无论计划多么完美都被杰尼西亚所发现。囚犯百思不得其解，一度怀疑囚犯当中出现了叛徒，向杰尼西亚通风报信，但无论如何也没有找出告密者。后来囚犯逐渐认识到这个山洞的奇特构造，无论囚犯说什么悄悄话，都会把声音反射到狱卒耳中，囚犯因此把这个洞称为“杰尼西亚的耳朵”。杰尼西亚的山洞为什么会出现这种状况，到底隐藏着什么秘密，从数学和物理研究的角度切入，从研究中不难发现，山洞的大概切面形状如下：2．小组合作交流。本次教学活动中，教师要引导为学生找到思维的突破口，通过小组合作的方式，一起探讨“杰尼西亚的耳朵”的秘密，了解椭圆形所蕴含的数学知识。学生通过探讨，会知道因为在山洞里囚犯们说话的声音会向四面八方传播，但是因为洞内的空间一侧是一个椭球体，由于洞壁光滑具有反射性，吸收的声波比较少，所以声音通过光滑的洞壁由一个焦点，传播到另一个焦点，囚犯们认为狱卒听不见他们的说话，其实他们的说话都被狱卒所听到。3．分析问题成因。从物理的角度分析，由于声音在空间中的传播速度是340米/秒，当遇到障碍物时声波就会被反射回去，但必须是障碍物对声波的吸收较少，光滑的山洞恰好符合这一特点。当囚犯们商议逃跑的时候，狱卒听到反射的声波就知道囚犯的逃跑计划。但为什么囚犯们说话的声音，都会汇聚到狱卒那里呢？如何证明囚犯所在的地点声音，会汇集到狱卒所在的地点呢？需要从数学的角度加以证明。从数学的角度分析，为什么椭圆具有如此的功能，通过折纸的方式来探索椭圆的光学原理。首先让学生们准备一张圆形纸片，圆心为O，在圆内取一定点A，将圆片的边缘翻折，圆片的圆弧要通过A点，以此类推当折痕足够多的时候，就会发现折线会形成一个椭圆的轮廓，所有的折线都与椭圆相切，连接OP，则直线OP与折线交点的轨迹即以O、A为焦点且长轴长为圆的半径的椭圆，接着引导学生从物理和数学的角度分别证明椭圆的光学性质。4．教学拓展延伸。世界上很多著名的建筑都应用了上述原理，例如：我国的天坛回音壁和英国伦敦的“私语走廊”。天坛回音壁墙高3.72米，直径61.5米，是用磨砖对缝砌成的，墙头覆着蓝色琉璃瓦，围墙的弧度十分光滑规则，当声波传播到墙壁极容易产生折射。只要有同学站在东、西配殿，一个人靠墙向北说话，声音就会通过墙壁的反射，传到另一个同学的耳朵内，由于其声音具有穿透性，被称为“回音壁”。英国伦敦有这样一条著名的圆环形“私语走廊”，在这个直径约34米的走廊内，无论同学们如何说悄悄话，在走廊的其他地点都可以听到对面说话，好像在耳边耳语一样，十分奇妙。虽然回音壁、“私语走廊”和“杰尼西亚的耳朵”山洞的形状不一样，但两者之间的回音传声原理大体是一致的。
三、基于STEM高中数学教学活动的效果分析
（一）应用工具效果的评价。为分析STEM理念下高中数学教学设计对学生产生的影响，本文采取定性与定量分析的方法，评价教学的实践效果，定量分析采取问卷调查的方式，对学生对STEM理念下高中数学教学的态度进行分析，定性分析采取教师和学生的访谈方式，分析教学的效果。
（二）学生STEM素养的评价。本课程活动结束后，为进一步了解STEM理念下高中数学教学活动是否对学生产生影响。活动通过问卷和访谈的形式了解学生的状况，掌握学生对数学设计的真实想法。通过效果评价，学生对教师所设计的“杰尼西亚的耳朵”教学情境和学习方式非常感兴趣，对本次课程活动设计给出了肯定的态度，这样的学习方式加深了学生对数学的理解，让学生更形象地认识到椭圆的性质，达到了教学的预期效果。
（三）教师教学效果的评价。STEM教学理念的实施给教师搭建了展示教学的平台，使教师更大胆地尝试探索新的教学方法，使数学教学目的不仅是为了提高数学成绩，更重要的是培养学生多元发展的能力，培养学生的STEM素养和跨学科能力。同时情境创设和问题设计也发展了数学学科核心素养，通过应用该教学理念，学生能够借助自我思考和小组交流合作的方式，增强团队的协作能力，提高创新能力和探究欲望，对于改进高中数学教学方式具有重要作用。结束语学生习惯按照原有的认知去理解事物，一旦发现新的事物与原有认知产生冲突，就会去否定原有认知，造成认知失衡。本文基于STEM教学理念，通过“杰尼西亚的耳朵”这个故事展开讨论，从而发现、探究椭圆的光学性质，让学生在原有知识网络中不断丰富新的知识结构，达到稳定的“新”平衡状态，因此在数学课堂教学设计过程中，教师必须要正确引导学生，以提升学生的认知发展能力为中心，通过学习引导和解决思维矛盾等方式，促使学生由“准认知”向“科学认知”转变。
参考文献
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作者:李征军 单位:潜江市园林高级中学